DWG 2022

17. Deutscher Wirbelsäulenkongress

Prof. Dr.

Vorsitz

Der Einfluss von Cage Form, Position und Werkstoff auf Segmentstabilisierung und Knochenbelastung in der posterioren, lateralen und anterioren lumbalen interkorporellen Fusion – eine Finite Elemente Perspektive

Abstract-Text deutsch Einleitung: Unterschiedliche Techniken und Optionen stehen dem Operateur zur interkorporellen Fusion in der Lendenwirbelsäule zur Verfügung: PLIF, TLIF, LLIF und ALIF. Um den Effekt von Cage Form, Position und Werkstoff auf Segmentstabilisierung und Knochenbelastung besser zu verstehen, und um die biomechanischen Eigenschaften dieser Techniken zu bewerten, werden sie in einem Finite Elemente (FE) Modell der Lendenwirbelsäule verglichen. Material/Methode: Das nichtlineare FE Modell einer Lendenwirbelsäule mit reduzierter Knochenfestigkeit wurde entwickelt und mittels Literaturdaten validiert. Für alle Operationstechniken und Varianten wurde jeweils ein spezifisches Modell erstellt. In Segment L4-L5 wurde bei PLIF eine bilaterale Facettektomie mit Laminektomie, bei TLIF eine rechte Facettektomie und bei ALIF das Entfernen des vorderen Längsbandes durchgeführt. Des Weiteren wurde in diesem Segment bei allen Wirbelsäulen eine Diskektomie sowie das Implantieren von Cages und posteriorer Instrumentierung modelliert. Die implantierten Cages waren bilaterale PLIFs, ein oblique TLIF sowie Banana TLIFs mit zentraler und anteriorer Platzierung, ein LLIF und ein ALIF (Abbildung 1). Alle PLIF and TLIF Modelle hatten identische Kontaktoberflächen zwischen Cage und Endplatten und alle Cages wurden sowohl mit Titan (Ti) als auch mit PEEK Werkstoffeigenschaften modelliert. Die Wirbelsäulen wurden mit einer "follower load" von 400 N und einem Flexionsmoment von 7.5 Nm belastet, was der zu erwartenden Maximallast entspricht. Ergebnisse: ALIF, gefolgt von LLIF und anteriorem Banana TLIF erreichten die höchste Segmentstabilisierung, PLIF die Geringste. ALIF, LLIF und anteriorer Banana TLIF sanken am wenigsten in die Endplatten ein, oblique TLIF am meisten. ALIF, LLIF und anteriorer Banana TLIF hatten das geringste plastisch verformte Knochenvolumen, PLIF das Größte. Die Ergebnisse von Ti und PEEK Cages sind vergleichbar (Abbildung 2). Diskussion: Unser Finite Elemente Modell zeigt bei ALIF, LLIF und anteriorem Banana TLIF eine höhere Stabilisierung, ein geringeres Cage Einsinken und ein geringeres plastisch verformtes Knochenvolumen. Aus biomechanischer Sicht haben diese Techniken das Potential das sagittale Profil und die Bandscheibenhöhe besser wiederherstellen, die Korrekturen besser über die Zeit zu halten, sowie Schraubenlockerung und Cagesinterung zu verhindern. Im nächsten Schritt sollten unsere Erkenntnisse durch entsprechende klinische Studien weiter gestützt werden.Abstract-Text englisch Introduction: Different techniques and options such as PLIF, TLIF, LLIF and ALIF are available to the surgeon for interbody fusion in the lumbar spine. To better understand the effect of cage shape, position and material on segmental stabilization and bone loading, and in order to better assess the biomechanical performance of these techniques, they were compared in a finite element (FE) model of the lumbar spine. Materials and Methods: A nonlinear FE model of a lumbar spine with reduced bone strength was developed and validated by comparing its range of motion with literature data. A specific model was then prepared for every technique and variant. Bilateral facetectomy with laminectomy for PLIF, right facetectomy for TLIF and removal of the anterior longitudinal ligaments for ALIF were performed in level L4-L5. Moreover, discectomy as well as placement of cages and posterior screw instrumentation were modeled in all spines at this level. The implanted cages were bilateral PLIFs, an oblique TLIF as well as banana TLIF cages with central and anterior positions, a LLIF and an ALIF (Figure 1). All PLIF and TLIF models had identical cage to endplate contact surface area and all cages were modeled using titanium as well as PEEK material properties. The spine was subjected to a follower load of 400 N and a flexion of 7.5 Nm, the expected maximum loading condition. Results: ALIF, closely followed by LLIF and anterior banana TLIF achieve the highest stabilization, PLIF the lowest. ALIF, LLIF and anterior banana TLIF result in the lowest normalized mean cage sinking, oblique TLIF in the highest. And again ALIF, LLIF and anterior banana TLIF result in the lowest plastically deformed bone volume, PLIF in the highest. The results for titanium and PEEK cage material were similar (Figure 2). Discussion: Our finite element model shows a higher segmental stabilization, a lower cage sinking and a lower volume of plastically deformed bone with ALIF, LLIF and anterior banana TLIF. From a biomechanical perspective, these techniques have the potential to lead to better disc height restoration, improve maintenance of correction over time and reduce the risk of cage subsidence and pedicle screw loosening. As a next step these findings should be further validated in corresponding clinical studies.

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PD Dr.

Untersuchung der Wirbelkörperspongiosa sowie der Schraubenauszugskraft von Pedikelschrauben in Abhängigkeit von BMD und Hounsfield-Units

Abstract-Text deutsch Fragestellung Die Primärstabilität von dorsal instrumentierten Pedikelschrauben hängt von vielen Faktoren ab. Den vermutlich größten Einfluss hat die Knochenqualität gemessen in der Knochendichte (engl. BMD). Diese wird durch die Dual-energy-Röntgenabsorptiometrie (DEXA) dem Goldstandard bestimmt. Eine Alternative stellt hierfür die Messung der Hounsfield-Units (HU) aus diagnostischen CT-Untersuchungen dar. Ziel dieser Studie war somit die Untersuchung der Abhängigkeit der Knochenfestigkeit sowie der Schraubenauszugskraft von HU und BMD. Methoden Von 38 Wirbelkörper (T6–L5) von insgesamt 5 Körperspendern wurden sowohl DEXA als auch CT angefertigt. Der BMD wurde für die Level L1-L4, und die HU für alle getesteten Wirbelkörper ermittelt. In jeden Wirbel wurde randomisiert auf einer Seite (links oder rechts) eine polyaxiale Pedikelschraube in klassischer Trajektorie instrumentiert und die Wirbelkörper mit Gießharz in einer zylindrischen Hülse fixiert. Im axialen Pullout-Versuch (nach ASTM F35-17) erfolgte die Bestimmung der maximalen Auszugskraft Fmax. Auf der nicht instrumentierten Seite wurde mit einer Standbohrmaschine eine zylindrische Probe (Ø6x12mm) in superior/inferior Richtung entnommen (s. Abb.) und im einachsigen Druckversuch die Parameter Modul (E), Druckfestigkeit (σmax) und Plateauspannung (σp) ermittelt. Es erfolgte die Erstellung von Teilvolumen der Wirbelkörperspongiosa mittels Materialise Mimics sowie die Erfassung der seitenspezifischen mittleren HU. Die Zusammenhänge zwischen Knochendichte und den mechanischen Versuchsdaten wurden auf Basis von Regressionsanalysen dargestellt. Ergebnisse Alle Parameterpaare liefern signifikante Ergebnisse. Fmax lässt sich sehr genau durch HU (R²=0,83) und BMD (R²=0,91) vorhersagen. Im Gegensatz zum BMD können HU für alle untersuchten Wirbel bestimmt werden, was sich in der Fallzahl widerspiegelt. Die mechanischen Parameter der Wirbelkörperspongiosa lassen sich ähnlich gut durch HU und BMD vorhersagen. Hierbei erreicht&nbsp;σmax die beste Modellgüte. Schlussfolgerung Die Vorhersage der Knochenfestigkeit sowie der Primärstabilität von Implantaten durch standardmäßig genutzte Bildgebungsverfahren birgt ein großes Anwendungspotential im klinischen Alltag. Die Druckfestigkeit der lumbalen Wirbelkörperspongiosa lässt sich gut durch BMD und HU vorhersagen. Außerhalb des Messbereichs der DEXA können somit mittels diagnostischen CT quantitative Aussagen zur Knochenarchitektur und –Qualität getroffen werden. Durch eine detaillierte Kenntnis der Knochenarchitektur und-Qualität im Wirkungsbereich von Implantaten kann eine individuell angepasste Versorgungsstrategie abgeleitet und somit das Komplikationsrisiko gesenkt werden. Tab.: Ergebnisse der Kurvenanpassung unter Verwendung einer Potenzfunktion (y=a*xb) mit der seitenspezifischen HU bzw. BMD als abhängige Variablen Abb.:&nbsp;Eingebetter Wirbelkörper (mitte). Pedikelschraube beim axialen Pullout (links) und Spongiosaprobe im Druckversuch (links)Abstract-Text englisch Background The primary stability of dorsal instrumented pedicle screws depends on many factors. One of the most important factors is the bone quality measured by bone mineral density (BMD). The gold standard for this is dual-energy X-ray absorptiometry (DEXA). Alternatively, Hounsfield-Units (HU) from diagnostic CT examinations can be used. Objective of this study was therefore to investigate the dependence of bone strength as well as screw pullout force on HU and BMD. Methods Both DEXA and CT were obtained from 38 vertebral bodies (T6-L5) from a total of 5 body donors. BMD was determined for levels L1-L4, and HU for all tested vertebral bodies. Polyaxial pedicle screws were instrumented randomly in each vertebra on one side (left or right) in a classic trajectory, and the vertebral bodies were fixed with cast resin in a cylindrical sleeve. During axial pullout test (according to ASTM F35-17), the maximum pullout force Fmax was determined. A cylindrical specimen (Ø6x12mm) was taken in superior/inferior direction on the non-instrumented side using a stationary drilling machine (Figure) and the parameters modulus (E), compressive strength (σmax) and plateau stress (σp) were determined in uniaxial compressive test. Partial volumes of each vertebral body were created using Materialise Mimics and the side-specific mean HU was determined. The relationships between bone density and the mechanical test data were presented based on regression analysis. Results All pairs of parameters yield significant results. Fmax can be predicted very accurately by HU (R²=0.83) and BMD (R²=0.91). In contrast to BMD, HU can be determined for all investigated vertebrae, which is reflected in the number of cases. The mechanical parameters of the vertebral cancellous bone can be predicted similarly well by HU and BMD. Here,&nbsp;σmax achieves the best model quality. Conclusion The prediction of bone strength as well as primary stability of implants by standard imaging techniques has a great potential for application in clinical practice. The compressive strength of lumbar vertebral body cancellous bone can be predicted well by BMD and HU. Thus, outside the measurement range of DEXA, diagnostic CT can provide quantitative information on bone architecture and quality. Detailed knowledge of bone architecture and quality in the effective range of implants can be used to derive an individually adapted treatment strategy and thus reduce the risk of complications. Tab.: Results of curve fit using power functions (y=a*xb) with the side-specific HU or BMD as dependent variables. Fig.: Embedded vertebral body (center). Pedicle screw in axial pullout (left) and cancellous bone specimen in compressive test (left).

Konzepte zur Erhöhung der Primärstabilität von Pedikelschrauben mithilfe aktiver und superelastischer Formgedächtnis-Elemente

Abstract-Text deutsch Einleitung Vor dem Hintergrund von Erkrankungen, welche die Knochenqualität beeinträchtigen, hat die Verankerungsfestigkeit von Pedikelschrauben Einfluss auf den Erfolg von Wirbelsäulenversorgungen. Einen innovativen Ansatz zur Erhöhung der Verankerungsfestigkeit stellen funktionalisierte Implantate mit integrierten Elementen aus Formgedächtnis-Legierungen (FGL) dar. FGL können thermisch aktiviert ihre Form ändern und dabei Arbeit verrichten. Zudem eignen sie sich aufgrund ihrer superelastischen Eigenschaften als passiver mechanischer Dämpfer. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Konzepten zur Erhöhung der Verankerungsfestigkeit von Pedikelschrauben durch die Integration von Formgedächtnis-Elementen sowie ihre biomechanische Testung. Material/Methode Konventionelle Schraubenimplantate wurden mechanisch bearbeitet und modifiziert, um Funktionselemente auf Basis von FGL zu integrieren (s. Abb.1). Konzept&nbsp;1 setzt eine aktive Verankerung im Knochen um. Nach der Implantation wird durch die Körperwärme ein Formgedächtnis-Element aktiviert, das über einen Spreizmechanismus zu einer lokalen Aufweitung des Schraubendurchmessers führt. Die Spreizelemente sind unterhalb des Schraubenkopfes lokalisiert, um eine zusätzliche Verspannung im Bereich des Pedikels zu bewirken. Konzept&nbsp;2 nutzt die passive Superelastizität der FGL. Der nicht gewindetragende Abschnitt der Schraube unterhalb des Schraubenkopfes ist hierbei durch ein zylindrisches Formgedächtnis-Element ersetzt. Ein Teil der am Schraubenkopf durch angebundene Stabsysteme eingebrachten Verformungsenergie dissipiert durch das superelastische Materialverhalten, sodass Belastungen gedämpft werden. Abb. 1: Prototyp (P) und Standardschraube (S), a - Konzept 1 (aktiv), b - Konzept 2 (passiv) Die biomechanische Testung erfolgte in einem Versuchsaufbau zur zyklischen Auslockerung nach ASTM&nbsp;F1717 mit anschließendem axialen Auszug. Ergebnisse Im direkten Vergleich zur jeweils baugleichen Standardschraube zeigten sich bei beiden Konzepten tendenziell geringere Relativbewegungen zwischen Schraubenkopf und humanem Spenderknochen. Zudem resultierte bei Konzept&nbsp;2 eine höhere verbleibende Auszugskraft nach Belastung. Unter der gegebenen zyklischen Belastung trat sowohl bei den Prototypen als auch konventionellen Schrauben Implantatversagen infolge von Materialermüdung auf. Diskussion Die Funktionalisierung von Pedikelschrauben mit Formgedächtnis-Elementen ist technisch realisierbar und bietet einen vielversprechenden Ansatz zur Erhöhung der Primärstabilität. Sowohl bei aktiver Verankerung (Konzept&nbsp;1) als auch bei Dämpfung der eingebrachten zyklischen Belastung (Konzept&nbsp;2) zeigte sich Potenzial für eine erhöhte Verankerungsfestigkeit. Die erhöhte Auszugskraft von Konzept&nbsp;2 deutet auf eine Schonung des Knochens während der zyklischen Belastung hin. Das beobachtete Materialversagen zeigt Defizite in der Dauerfestigkeit infolge der generativen Fertigung auf und bedarf weiterer Optimierung.Abstract-Text englisch Introduction In the context of medical conditions that affect bone quality, the anchoring strength of pedicle screws has an impact on the success of spinal restorations. Functionalised implants with integrated elements made of shape memory alloys (SMA) are an innovative approach to increase the anchoring strength. SMAs can change their shape when thermally activated and can thereby perform work. In addition, their superelastic properties make them suitable as passive mechanical dampers. The aim of this work was to develop concepts to increase the anchoring strength of pedicle screws by integrating shape memory elements and to test them biomechanically. Material/Method Conventional screw implants were mechanically machined and modified in order to integrate functional elements based on SMA (see Fig. 1). Concept 1 implements active anchoring in the bone. After implantation, body heat activates a shape memory element that leads to a local dilatation of the screw diameter by means of an expansion mechanism. The expansion elements are localized below the screw head to provide additional clamping in the pedicle region. Concept 2 utilises the passive superelasticity of SMA. The non threaded section of the screw below the head is replaced by a cylindrical shape memory element. Part of the deformation energy introduced at the screw head by attached rod systems dissipates through the superelastic material behaviour, so that loads are damped. Fig. 1: Prototype (P) and standard screw (S), a - concept 1 (active), b - concept 2 (passive) The biomechanical testing was carried out in a test setup for cyclic screw loosening according to ASTM F1717 with subsequent axial pull-out. Results In comparison to the standard screw of identical design, both concepts tended to show lower relative movements between the screw head and the human bone. In addition, concept 2 resulted in a higher residual pull-out force after loading. Under the applied cyclic loading, implant failure due to material fatigue occurred for both the prototypes and the conventional screws. Discussion Functionalisation of pedicle screws with shape memory elements is technically feasible and provides a promising approach to increase primary stability. Both active anchoring (concept 1) and damping of the applied cyclic load (concept 2) showed potential for increased anchoring strength. The increased pullout force of Concept 2 suggests sparing of the bone during cyclic loading. The observed material failure indicates deficiencies in fatigue strength due to generative manufacturing and requires further optimisation.

PD Dr. Dr.

Professor

Die dreidimensionale knöcherne Mikrostruktur des Axis und klinische Implikationen

Abstract-Text deutsch Einleitung: Die Fraktur des Dens axis (DAX) vom Typ II nach Anderson und D'Alonzo (DFTII) kommt vor allem bei geriatrischen Patienten häufig vor, wobei es insbesondere nach Osteosynthesen mittels ventraler Böhler-Schrauben (BS) zu Pseudarthrosen und Materiallockerungen kommen kann. Dabei scheint die knöcherne Mikrostruktur des Axis (C2) ein relevanter Faktor für die Stabilität zu sein. Ziel der vorliegenden Studie ist es daher, diese mittels hochauflösender quantitativer Computertomographie (HR-pQCT) zu analysieren, Korrelationen zu einem mittels klassischer Computertomographie (CT) analysierten, klinischen Kollektiv zu finden und klinische Implikationen abzuleiten. Material/Methode: Zunächst erfolgte die retrospektive Analyse der Hounsfield-Einheiten (HU) in einem klinischen Kollektiv (n = 20; 50% Frauen) mit einem mittleren Alter von 81,6 ± 9,2 Jahren, anhand von CTs des C2. Die Messung der HU erfolgte separat für die Zonen I, II und III nach Anderson und D'Alonzo (Abb. 1A). Folgend wurden humane C2 von Körperspendern (n = 28; 50% Frauen, 80.8 ± 13.9 Jahre) mittels HR-pQCT analysiert. Es erfolgte analog zur o.g. Zoneneinteilung u.a. die Bestimmung des Knochenvolumens/Gewebevolumens (BV/TV) und der Knochenmineralisierung (BMD des BV, mg HA/cm3) (Abb. 1B). Es folgte eine vergleichende statistische Analyse der Messwerte der jeweiligen Zonen mittels ANOVA und Tukey post-hoc Test. Ergebnisse: Die Messungen in den CTs zeigten signifikant niedrigere HU in den Zonen II (248.0 ± 161.8) und III (246.0 ± 92.1) gegenüber Zone I (541.5 ± 257.0) (Zone I vs. II p &lt; 0,001; Zone I vs. III p &lt; 0,001; Zone II vs. III p = 0,308). Durch HR-pQCT wurde ein mittleres BV/TV in Zone I von 0,49 ± 0,20, in Zone II von 0,27 ± 0,09 und in Zone III von 0,17 ± 0,07 ermittelt (Zone I vs. II p &lt; 0,0001; Zone II vs. III p = 0,025; Zone I vs. III p &lt; 0,0001) (Abb. 1C). Es zeigte sich zudem eine signifikante Reduktion der BMD des BV von Zone I (760,90 ± 72,91) über Zone II (748,32 ± 37,49) zu Zone III (696,57 ± 38,23) (Zone I vs. II p = 0,0011; Zone II vs. III p = 0,6412; Zone I vs. III p &lt; 0,0001) (Abb. 1C). Diskussion: Der C2 ist durch eine abnehmende trabekuläre Mikrostruktur von der Spitze zum Boden gekennzeichnet, was auf eine schlechtere knöcherne Stabilität in den Zonen II und III hinweist. Diese Befunde können anteilig die erhöhte Frakturanfälligkeit der Zonen II und III gegenüber Zone I erklären. Darüber hinaus scheint die geringere Knochenqualität in den Zonen II und III ein Risikofaktor für die Implantatlockerung nach ventraler BS-Osteosynthese zu sein. Abb.1: A: Zoneneinteilung des Axis I-III nach Anderson und D&quot;Alonzo. B: Axiale Schnitte aus der hochauflösenden peripheren quantitativen Computertomographie (HR-pQCT) in den jeweiligen Zonen I-III. C: Ergebnisse des Knochenvolumens/Gewebevolumens (BV/TV) und der Mineralisation des Knochenvolumens (BMD of BV) der mittels HR-pQCT analysierten C2. Abstract-Text englisch Introduction: The fracture of the dens axis (DAX) of type II according to Anderson and D'Alonzo (DFTII) is common, especially in geriatric patients, and pseudarthrosis and material loosening may occur after osteosynthesis using ventral Böhler screws (BS). In this context, the bone microstructure of the axis (C2) seems to be a relevant factor for stability. Therefore, the present study aims to analyze the bone microstructure of the C2 using high-resolution quantitative computed tomography (HR-pQCT) to find correlations in a clinical collective analyzed by classical computed tomography (CT), and to derive clinical implications. Material/Methods: First, a retrospective analysis of Hounsfield units (HU) was performed in a clinical collective (n = 20; 50% women) with a mean age of 81.6 ± 9.2 years, using CTs of C2. HU were measured separately for zones I, II, and III according to Anderson and D'Alonzo (Fig. 1A). Subsequently, cadaveric human C2 (n = 28; 50% women; 80.8 ± 13.9 years) were analyzed by HR-pQCT. Analogous to the zoning mentioned above, bone volume/tissue volume (BV/TV) and bone mineralization (BMD of BV, mg HA/cm3) were determined, among others (Fig 1B). This was followed by a comparative statistical analysis of the measured values of the respective zones using ANOVA and Tukey post-hoc test. Results: CT measurements showed significantly lower HU in zones II (248.0 ± 161.8) and III (246.0 ± 92.1) compared to zone I (541.5 ± 257.0) (zone I vs. II p &lt; 0.001; zone I vs. III p &lt; 0.001; zone II vs. III p = 0.308). HR-pQCT showed a mean BV/TV in zone I of 0.49 ± 0.20, in zone II of 0.27 ± 0.09, and in zone III of 0.17 ± 0.07 (zone I vs. II p &lt; 0.0001; zone II vs. III p = 0.025; zone I vs. III p &lt; 0.0001) (Fig. 1C). There was also a significant reduction in the BMD of BV from zone I apparent (760.90 ± 72.91) to zone II (748.32 ± 37.49) to zone III (696.57 ± 38.23) (zone I vs. II p = 0.0011; zone II vs. III p = 0.6412; zone I vs. III p &lt; 0.0001) (Fig. 1C). Discussion: The C2 is characterized by decreasing trabecular microstructure from the apex to the bottom, indicating poorer bone stability in zones II and III. These findings may proportionately explain the increased fracture susceptibility of zones II and III compared with zone I. In addition, the lower bone quality in zones II and III appears to be a risk factor for implant loosening after ventral BS osteosynthesis. Fig.1: A: Zonal classification of the axis (I-III) according to Anderson and D'Alonzo. B: Axial sections from high-resolution peripheral quantitative computed tomography (HR-pQCT) in the respective zones I-III. C: Results of bone volume/tissue volume (BV/TV) and bone volume mineralization (BMD of BV) of C2 analyzed by HR-pQCT.

Ist menschliche Knochenmatrix (HBM) eine zuverlässige Augmentationsmethode, um gelockerte Pedikelschrauben in osteoporotischem Knochen zu revidieren? Eine biomechanische Bewertung der Primärstabilität

Abstract-Text deutsch Hintergrund: Trotz guter Verankerung und sicherer Schraubenführung von Pedikelschrauben kann es, insbesondere bei Personen mit Osteoporose, zur Schraubenlockerung kommen. Das Ziel dieser biomechanischen Analyse war es, die Primärstabilität der Revisionsschrauben-Platzierung bei Personen mit Osteoporose zu bewerten. Verglichen wurde auf der einen Seite die Revision mittels Schrauben mit einem um 2mm vergrößerten Durchmesser mit auf der anderen Seite der Verwendung von menschlicher Knochenmatrix (HBM) als Augmentation bei gleicher Schraubendicke. Die Idee der HBM-Augmentation ist, den Knochenbestand zu verbessern und damit eine bessere Schraubenabdeckung zu erlangen. &nbsp; Methoden: Es wurden 11 Lendenwirbelkörper von Leichenpräparaten mit einem mittleren Alter von 80,25 Jahren (± 12,79 Jahre) und einer durchschnittlichen Knochenmineraldichte von 90,32 Hounsfield-Einheiten (HU) verwendet. Pedikelschrauben mit einem Durchmesser von 6,5 mm und einer Länge von 45 mm wurden in beide Pedikel eingesetzt und anschließend unter Verwendung eines zyklischen kranio-kaudalen Ermüdungsprotokolls gelockert. Als Schraubenlockerung wurde eine Verschiebung des Schraubenkopfes um 5 mm definiert. Nach Entfernung der gelockerten Schrauben wurden die Schrauben revidiert, indem eine Schraube mit 2mm größerem Durchmesser (8,5x45 mm) in den einen Pedikel und eine Schraube mit gleichem Durchmesser (6,5x45 mm) mit HBM-Augmentation in den anderen Pedikel eingesetzt wurde. Das vorherige Lockerungsprotokoll wurde daraufhin erneut angewendet, wobei die maximale Belastung und die Zyklen bis zum Versagen zwischen beiden Revisionstechniken verglichen wurden. Das Insertionsdrehmoment (IT) wurde während der Insertion beider Revisionsschrauben kontinuierlich gemessen. &nbsp; Ergebnisse: Die Anzahl der Zyklen (p = 0.041) und die maximale Belastung bis zum Versagen (p = 0,014) waren bei Schrauben mit vergrößertem Durchmesser signifikant höher als bei der Augmentation mit HBM. Darüber hinaus waren sowohl der maximale (p = 0,004) als auch der durchschnittliche IT (p = 0,033) der vergrößerten Schraube signifikant höher als die IT der revidierten Schraube mit HBM. &nbsp; Deutung: Die HBM-Augmentation erreicht nicht die gleiche Ad-hoc-Fixationsstärke wie die Vergrößerung des Schraubendurchmessers um 2 mm und ist daher biomechanisch unterlegen. Hinsichtlich der Sofortstabilität sollte daher eine dickere Schraube priorisiert werden.Abstract-Text englisch Background: Despite good anchoring and safe trajectory of pedicle screws, screw loosening can occur, especially in people with osteoporosis. The aim of this biomechanical analysis was to evaluate the primary stability of revision screw placement in individuals with osteoporosis. The compared revision techniques were on one hand a screw with an enlarged diameter by 2 mm and on the other hand the use of human bone matrix (HBM) as an augmentation for a screw with the same diameter. The idea of HBM augmentation is to improve the bone stock and thus achieve better screw coverage. &nbsp; Methods: Eleven cadaveric lumbar vertebrae with a mean age of 80.25 years (±12.79 years) and a mean bone mineral density of 90.32 Hounsfield units (HU) were used. Pedicle screws 6.5 mm in diameter and 45 mm in length were placed in both pedicles and then loosened using a cyclic cranio-caudal fatigue protocol. Screw loosening was defined as displacement of the screw head by 5 mm. After removal of the loosened screws, the screws were revised by inserting a 2mm larger diameter screw (8.5x45mm) in one pedicle and a screw of the same diameter (6.5x45mm) with HBM augmentation in the other pedicle. The previous relaxation protocol was then re-applied, comparing maximum loading and cycles to failure between both revision techniques. The insertional torque (IT) was continuously measured during the insertion of both revision screws. &nbsp; Results: The number of cycles (p = 0.041) and the maximum load to failure (p = 0.014) were significantly higher for larger diameter screws than for augmentation with HBM. In addition, both the maximum (p=0.004) and mean IT (p=0.033) of the enlarged screw were significantly higher than the IT of the revised screw with HBM. &nbsp; Interpretation: HBM augmentation does not achieve the same ad hoc fixation strength as the 2 mm screw diameter increase and is therefore biomechanically inferior. A thicker screw should therefore be prioritized for immediate stability.

Nutzen eines drehmomentbasierten Schraubendrehers zur Darstellung der Knochenqualität und Vorhersage des Implantatversagens – eine biomechnaische Analyse

Abstract-Text deutsch Einleitung&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Die pedikelbasierte Stabilisierung der Wirbelsäule gehört heute zu den Standardverfahren in der Wirbelsäulenchirurgie. Zur Beurteilung der Knochenqualität stehen dem Operateur intraoperativ nur wenig Möglichkeiten zur Verfügung Rückschlüsse auf die Qualität des Knochens zu ziehen, um als Konsequenz die operative Maßnahmen- beispielsweise im Sinne einer Augmentation der Schrauben - zu modifizieren. Daher war das Ziel der vorliegenden Arbeit den Nutzen eines drehmomentbasierten Schraubendrehers zur Evaluation der Knochenqualität, ebenso wie zur Vorhersage eines Implantatversagens zu prüfen. Material&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Es wurden 13 Lendenwirbelkörper von ausschließlich männlichen Spendern mit einem mittleren Knochendichte von durchschnittlich 101,2 Hounsfield-Einheiten (HU) (SD 31,6) verwendet. Nach Präparation und Einbettung wurden Pedikelschrauben in beide Pedikel mittels eines elektrischen Drehmomentschraubendrehers (Akku-Pistole-EC-Schrauber mit Drehmomentsensor HAST Technik, Efringen-Kirchen, Deutschland) eingebracht und dabei das Drehmoment stetig dokumentiert. Nach Fixierung der Grundplatte des Wirbelkörpers im Kunststoffblock erfolgte die Messung in der Testmaschine (Zwick/Roell Z010, Fa. Zwick Roell, Ulm, Deutschland). Alle Proben wurden zyklischen biomechanischen Tests mit einem unteren Intervall von 25 N bis -25 N in aufsteigenden Zyklen unterzogen. Ein Versagen des Implantates wurde definiert als eine Bewegung der Schraubenköpfe ≥ 5 mm und/oder ein Reißen der Kraftabschaltschwelle von 40% Fmax. Ergebnisse&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Es zeigte sich ein signifikanter Zusammenhang zwischen dem maximale Insertions Moment (MIT) während der ersten Hälfte des Eindrehens (H1) und den Hounsfield units (p= 0,045). Auch das durchschnittliche Insertions Drehmoment (AIT) in der zweiten Hälfte wie auch über die gesamte Länge korrelierte signifikant mit den HU (p= 0,023). Bei der Versagensanalyse zeigte sich eine hoch signifikante positive Korrelation des AIT isoliert sowohl für H1 als auch H2 mit der Schraubenfestigkeit. Je höher das jeweilige AIT, desto höher die Last (load to failure; p(H1)=0,000; p(H2)=0,000) und Anzahl der Zyklen (cycles to failure; p(H1)=0,002; p(H2)=0,009) bis zur Schraubenlockerung. Hinsichtlich des MIT zeigt sich ebenfalls eine hoch signifikant positive Korrelation für H1 mit der Schraubenfestigkeit (p=0,001). Das MIT von H2 korreliert jedoch nicht signifikant hinsichtlich der Anzahl der Zyklen bis zur Lockerung. Diskussion&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Es besteht eine signifikante Korrelation zwischen den Insertionsdrehmomenten und den bestimmten HU. Als Marker für die Schraubenfestigkeit eignet sich insbesondere die AITs von H1 und H2. Die durchschnittlichen und maximalen Drehmomente über den gesamten Schrauben Verlauf sind hingegen wenig nützlich.Abstract-Text englisch Introduction The pedicle-based stabilization of the spine is one of the standard procedures in spine surgery today. In order to assess the bone quality, the surgeon has only a few intraoperative possibilities to draw conclusions about the quality of the bone in order to consequently modify the surgical measures - for example in the sense of an augmentation of the screws. Therefore, the aim of the present work was to examine the usefulness of a torque-based screwdriver for the evaluation of bone quality as well as for the prediction of implant failure. Material 13 lumbar vertebrae from exclusively male donors with a mean bone density of 101.2 Hounsfield units (HU) (SD 31.6) were used. After preparation and embedding, pedicle screws were inserted into both pedicles using an electric torque screwdriver (cordless pistol EC screwdriver with torque sensor HAST Technik, Efringen-Kirchen, Germany) and the torque was continuously documented. After fixing the base plate of the vertebral body in the plastic block, the measurement was carried out in the test machine (Zwick/Roell Z010, Zwick Roell, Ulm, Germany). All samples underwent cyclic biomechanical testing with a lower interval of 25N to -25N in ascending cycles. Implant failure was defined as a movement of the screw heads ≥ 5 mm and/or a breach of the force cut-off threshold of 40% Fmax. Results There was a significant correlation between the maximum insertion moment (MIT) during the first half of insertion (H1) and the HU (p= 0.045). The average insertion torque (AIT) in the second half as well as over the entire length also correlated significantly with the HU (p= 0.023). The failure analysis showed a highly significant positive correlation of the AIT isolated for both H1 and H2 with the bolt strength. The higher the respective AIT, the higher the load (load to failure; p(H1)=0.000; p(H2)=0.000) and number of cycles (cycles to failure; p(H1)=0.002; p(H2)= 0.009) until the screw loosens. With regard to the MIT, there is also a highly significant positive correlation for H1 with the screw strength (p=0.001). However, the MIT of H2 does not significantly correlate with the number of cycles to failure. Discussion There is a significant correlation between the insertion torques and the determined HU. The AITs of H1 and H2 are particularly suitable as markers for the screw strength. The average and maximum torques over the entire course of the screw, on the other hand, are of little use.

Nukleus pulposus-Verdau mittels Chondroitinase oder Papain? Evaluation biomechanischer Effekte sowie ein neuer Organkulturansatz für die In-vitro-Prüfung von Biomaterialien

Abstract-Text deutsch Einleitung In den 80er und 90er Jahren gehörte die Chemonukleolyse mittels Enzymen wie Chondroitinase ABC (ChABC) oder Chymopapain zu den verbreiteten Therapieoptionen für weiche Bandscheiben(BS)-Vorfälle [1]. Heute werden diese Enzyme zur künstlichen Degeneration von Tier-BS verwendet und könnten auch für In-vitro-Experimente – z.B. von Biomaterialien (Bmat) – zum Einsatz kommen. Jedoch wurden bisher die biomechanischen Effekte und die strukturellen Veränderungen des enzymatischen Verdaus in der BS wenig untersucht. Ziel der Studie war es bovine BS mittels Enzymverdau künstlich zu degenerieren und nach Bmat-Injektion bezüglich Verteilung in der BS und biomechanischem Verhalten zu vergleichen. Material/Methode In 3 von 4 Gruppen (n=6) boviner Schwanz-BS wurden 1U ChABC, 13U Papain oder PBS injiziert, die BS 7&nbsp;Tage inkubiert (6% O2, 37°C) und danach komplex belastet, um die Flüssigkeitsaufnahme der Inkubation auszugleichen. Die 4. Gruppe wurde als Kontrolle frisch getestet und nicht inkubiert. Nach Injektion eines röntgendichten Hydrogels in alle BS wurde dessen Verteilung mittels µCT dargestellt. Der Bewegungsumfang (ROM) und die BS-Höhe wurden vor und nach Enzymbehandlung, nach Belastung und nach Injektion für alle Gruppen bestimmt. Statistik: Mann-Whitney-U, Friedman, Benjamini-step-up (p≤0,05). Ergebnisse Papain verdaute BS zeigten nach Inkubation eine Kavität im Nukleus wohingegen die BS der anderen Gruppen zumindest makroskopisch intakt blieben. Nach Inkubation und Belastung nahm die Höhe der enzymbehandelten BS signifikant ab (p≤0,009) und deren ROM zu (p≤0,026) (Abb 1). In enzymverdaute BS konnte signifikant mehr Bmat injiziert werden als in nicht Enzym behandelte (Abb 2A, p=0,002). Das injizierte Bmat stellte für ChABC- und Papain-BS die ursprüngliche BS-Höhe (p≤0,015) und den ROM (p≤0,037) wieder her (Abb 2B/C). µCT und anschließende Makroskopie zeigten fragmentierte Bmat-Bereiche für ChABC und eine homogenere Bmat-Verteilung für Papain. Diskussion Beide Enzyme führen zu makroskopisch unterschiedlichen Resultaten aber bzgl. ROM-Zunahme und BS-Höhenabnahme zu ähnlichen biomechanischen Eigenschaften. Die zusätzlichen Kavitäten in der Papain-Gruppe ähneln Strukturveränderungen menschlicher BS nach BS-Vorfall oder Nukleotomie [2]. ChABC-induzierter Matrixabbau simuliert eher altersbedingte Degenerationsmuster ohne Kavitäten. Da in ChABC und Papain verdaute BS gleich viel Bmat injiziert werden kann, kann hypothesiert werden, dass die Enzyme gleichermaßen den BS-Druck reduzieren. Diese Ergebnisse haben unser Verständnis von den biomechanischen und morphologischen Auswirkungen des ChABC- und Papain-Verdaus verbessert sowie die Wahl passender Enzyme für verschiedene In-vitro-Tests mit Bmat-Injektion erleichtert. Danksagung: iPSpine (825925) [1] Wardlaw 2016 [2] Wilke et al. 2013Abstract-Text englisch Introduction In the 1980s and 1990s, chemonucleolysis using enzymes such as chondroitinase ABC (ChABC) or chymopapain was one of the common therapeutic options for soft herniations of the intervertebral disc (IVD) [1]. Nowadays, these enzymes are used for artificial degeneration of animal IVDs and could also be used for in vitro experiments (e.g. with biomaterials (Bmat)). However, the biomechanical effects and structural changes of enzymatic digestion in the IVD have been investigated rarely. The aim of this study was to artificially degenerate bovine tail discs using enzyme digestion and to compare them after Bmat injection with respect to distribution in the IVD and biomechanical behavior. Material/Method In 3 of 4 groups (n=6), bovine tail discs were injected with 1U ChABC, 13U papain or PBS, the IVDs were incubated for 7 days (6% O2, 37°C) and then complex loaded to compensate the cell culture medium swelling. The 4th group was freshly tested as a control and not incubated. After injection of a radiopaque hydrogel into all IVDs, its distribution was visualized by µCT. Range of motion (ROM) and disc height were determined before and after enzyme treatment, after loading, and after injection for all groups. Statistics: Mann-Whitney-U, Friedman, Benjamini-step-up (p≤0.05). Results Papain digested IVDs showed a cavity in the nucleus after incubation whereas IVDs from the other groups remained at least macroscopically intact. After incubation and loading, the disc height of enzyme-digested IVDs significantly decreased (p≤0.009) and their ROM increased (p≤0.026) (Fig1). Significantly more Bmat could be injected into enzyme-digested IVDs than into non-enzyme treated IVDs (Fig2 A/B, p=0.002). The injected Bmat restored the intact disc height (p≤0.015) and ROM (p≤0.037) for ChABC and papain IVDs (Fig 1). µCT and subsequent macroscopy revealed fragmented Bmat regions for ChABC and a more homogeneous Bmat distribution for papain (Fig2 C). Discussion Both enzymes lead to macroscopically different results but similar biomechanical properties regarding ROM increase and disc height decrease. The additional cavities in the papain group mimic structural changes seen in human IVDs after prolapse or nucleotomy [2]. ChABC-induced matrix degradation more closely simulates age-related degeneration patterns without cavities. Since equal amounts of Bmat can be injected into ChABC and papain digested IVDs, it can be hypothesized that the enzymes equally reduce intradiscal pressure. These results have improved our understanding of the biomechanical and morphological effects of ChABC and papain digestion, as well as facilitated the selection of appropriate enzymes for various in vitro tests involving Bmat injection. Acknowledgments: iPSpine (825925). [1] Wardlaw 2016 [2] Wilke et al. 2013

Beeinflussen Reposition und Fixierung der Schrauben-Stab Verbindung die Verankerung von Pedikelschrauben? Eine biomechanische Studie

Abstract-Text deutsch Einleitung Pedikelschraubenlockerungen gehören zu den häufigsten Komplikationen nach posteriorer Spondylodese. Bei guter Knochenqualität wurde eine Inzidenz von bis zu 15% nachgewiesen, osteoporotischer Knochen erhöht das Risiko um das Vierfache. Für die meisten Schrauben, die im postoperativen Verlauf als gelockert identifiziert werden, kann bereits bei der Reposition und dem Festziehen der Schrauben-Stab-Verbindung ein &quot;pull-out&quot; nachgewiesen werden. Diese Interventionen können zu einer Überlastung der Implantate und des umgebenden Gewebes führen, was mit einem erhöhten Revisionsrisiko einhergeht. Ziel dieser Studie ist es, die Auswirkungen von Reposition und Fixierung der Schrauben-Stab Verbindung (SSV) sowie den Einfluss zusätzlicher Distraktionskräfte auf die Verankerung von Pedikelschrauben zu untersuchen. &nbsp; Material/Methode Zwei humane Kadavermodelle (13 Segmente, T5-S1), im direkten Seitenvergleich mit Pedikelschrauben-Stabsystemen unterschiedlicher Philosophie stabilisiert: Kraftkontrollierte (Force-controlled) Fixation (FCF: Neo Pedicle Screw System) und Standard-Fixation (SF: CD Horizon Solera). Die Eindrehmomente (IT) und, nach der Montage, dem endgültigen Festziehen und einer kurzen Setzzeit, die Ausdrehmomente (ET) wurden digital gemessen. Die Auswirkungen von Reposition und endgültigem Festziehen wurden durch den Vergleich der Verluste zwischen IT und ET bewertet. Die Auswirkung von Distraktionskräften (100N), die über Pedikelschraubenköpfe ausgeübt werden, wurde in Polyurethanschaumblöcken verschiedener Dichten untersucht. Statistische Signifikanz bei p &lt;0,05, Mann-Whitney-U-Test für Vergleiche und Korrelationsanalysen nach Spearman. &nbsp; Ergebnisse Bei FCF waren die Drehmomentverluste signifikant niedriger (0,393Nm vs. 0,539Nm; p&lt;0,001). Trotz höherer ITs bei SF (0,966 vs. 0,747Nm) waren die ETs vergleichbar (0,344 vs. 0,301Nm) (Abb.1). IT und ET korrelierten statistisch signifikant (FCF: r=0,792 und SF: r=0,783; p&lt;0,001). Die Drehmomentverluste waren in beiden Gruppen höher, wenn zusätzliche Distraktionskräfte direkt über die Pedikelschraubenköpfe aufgebracht wurden (p ≤ 0,041). Diskussion Reposition und die Fixierung der SSV haben Einfluss auf die Verankerung von Pedikelschrauben. Die Differenz zwischen IT und ET quantifiziert biomechanische Verluste und damit die an die Implantate und das umgebende Gewebe übertragene Last. Diese ist geringer, wenn die Instrumentierung kraftkontrolliert durchgeführt wird, wodurch das individuelle anatomische und biomechanische Gleichgewicht des Patienten besser berücksichtigt werden kann. Dies hat das Potenzial, Pedikelschraubenlockerungen, Konstruktversagen und Revisionsraten zu reduzieren und die klinischen Ergebnisse zu verbessern.Abstract-Text englisch Introduction Pedicle screw loosening is one of the most common complications following instrumented posterior fusion. An incidence of up to 15% has been reported in good bone quality; osteoporotic bone increases the risk fourfold. Evidence suggests that most screws later identified as loosened were initially pulled out during reduction and tightening of the screw-rod connection. These interventions can lead to overloading of the implants and surrounding tissues, which is associated with an increased risk of revision surgery. The aim of this study is to investigate the effects of reduction and tightening and the influence of additional distraction forces on pedicle screw anchorage during construct assembly and final locking. Material/Method Two human cadaver specimens (13 segments, T5-S1) were stabilized in direct side-by-side comparison using pedicle screw rod systems following different philosophies: force-controlled fixation (FCF: Neo Pedicle Screw System) and standard fixation (SF: CD Horizon Solera). Insertion torques (IT) and, after assembly, final tightening and a short period of settling, extraction torques (ET) were measured digitally. The impact of reduction and final tightening was evaluated by comparing the losses between IT and ET. In addition, the effect of distraction forces (100N) applied across pedicle screw heads was investigated in polyurethane foam blocks of certain densities. Statistical significance at p &lt;0.05, Mann-Whitney U test for comparisons and correlation analyses according to Spearman. &nbsp; Results With FCF, the median torque loss was significantly lower (0.393Nm) than with SF (0.539Nm) (p&lt;0.001). Despite higher ITs with SF (0.966 vs. 0.747Nm), ETs were similar (0.344 vs. 0.301Nm) (Fig.1). IT and ET correlated statistically significant (FCF: r=0.792 and SF: r=0.783; p&lt;0.001). Torque losses were higher in both groups when additional distraction forces were applied directly across pedicle screw heads (p ≤ 0.041). Discussion Reduction and tightening of the rod-screw interface have a significant impact on pedicle screw anchorage. The loss between IT and ET quantifies the loss of biomechanical behavior and consequently the load transferred to the instrumentation and the surrounding tissue. It is lower if the instrument assembly is performed force-controlled. This can be attributed to the fact that in force-controlled techniques, lower forces are applied intraoperatively. As a result, the patient's individual anatomical and biomechanical balance can be better addressed. This has the potential to reduce pedicle screw loosening, construct failure, and reoperation rates, and improve clinical outcomes.

Wiederherstellung der anterioren cervikalen Säule mittels neuem expandierbaren PEEK-ECD Cage – Sicherheit und Effektivität

Abstract-Text deutsch Einleitung. Die anteriore cervikale Korporektomie und Fusion (ACCF) hat sich als ein effektives und sicheres chirurgisches Verfahren zur Stabilisierung der vorderen Halswirbelsäule (HWS) etabliert. Der neue expandierbare ECD-Cage aus PEEK als Wirbelkörperersatz (VBR) soll im Vergleich zu früheren Systemen eine individuelle Höhenanpassung, bessere Spannungsverteilung und Röntgendurchlässigkeit ermöglichen. Ziel dieser Studie war es, die Sicherheit und Wirksamkeit des ECD zu analysieren, indem (1) das radiologische Ergebnis, (2) das klinische Ergebnis und (3) perioperative Komplikationen analysiert wurden. Material/Methoden. In dieser retrospektiven Kohortenstudie wurden 28 Patienten eingeschlossen, die zwischen 2011 - 2020 eine ACCF mittels ECD-Cage (Fig1) bei metastatischen, traumatischen oder degenerativen Erkrankungen erhalten haben. Das mediane Follow-up betrug 1,0 [0.6; 1.8] Jahre mit einem Minimum Follow-up von sechs Monaten. Die Korrektur des bisegmentalen kyphotischen Winkels (BKA) wurde als primärer Endpunkt definiert. Zusätzlich wurden die knöcherne Fusion, der Verlust der Implantathöhe und die Implantatsubsidence analysiert. Das klinische Ergebnis wurde anhand der Odom-Kriterien, der numerischen Schmerzbewertungsskala (NRS), der ASIA Impairment Skala (AISA) und der Karnofsky Performance Status Skala (KPSS) evaluiert. Die Parameter wurden präoperativ, direkt postoperativ, 6 Wochen und 6 Monate postoperativ sowie bei der letzten Nachuntersuchung analysiert. Ergebnisse. Direkt postoperativ verbesserte sich der BKA um 13.5±9.7 Grad im Vergleich zu präoperativ (p&lt;0,0001). Im final follow-up betrug die Korrektur weiterhin 12.3±9.6 Grad im Vergleich zu präoperativ (p=00002). Beim final follow-up kam es weder zu einem Verlust der Implantathöhe (p=0.96) noch zu einer Implantatsubsidence im Vergleich zu direkt postoperativ (p=0.99). Bei allen Patienten wurde eine knöcherne Fusion beobachtet, wobei 53% einen Grad I und 47% einen Grad II nach den Eck'schen Kriterien aufwiesen. Die klinischen Ergebnisse (Fig2) zeigten beim final follow-up eine Verbesserung im Vergleich zu präoperativ (p=0.07). Bei Patienten mit einer Tumorerkrankung verbesserte sich der KPSS signifikant auf 62±10 direkt postoperativ im Vergleich zu präoperativ (p=0.0009) und zeigte beim final follow-up keinen signifikanten Rückgang im Vergleich zu direkt postoperativ (p=0.3). Vier Patienten benötigten eine sekundäre dorsale Stabilisierung. In einem Fall musste der ECD aufgrund einer schweren Infektion der Operationsstelle nach einer akzidentiellen Ösophagusläsion explantiert werden. Diskussion. Dies ist die erste Studie, die das radiologische und klinische Ergebnis des ECD-PEEK-Cages an der HWS analysiert. Sie zeigt, dass der ECD eine sichere und effiziente Therapieoption zur Rekonstruktion der vorderen Säule der HWS bei Patienten mit metastatischen, traumatischen und degenerativen Erkrankungen ist.Abstract-Text englisch Introduction. Anterior cervical corpectomy and fusion (ACCF) has been established as a favorable and safe surgical procedure to stabilize the anterior cervical vertebral column. Recently, the PEEK vertebral body replacement device (VBR) ECD cage was introduced, providing personalized individual adaptation through expandability, better stress distribution, and radiolucency compared to previous systems. This study aimed to assess the safety and efficacy of the ECD by analyzing (1) radiographic outcome, (2) clinical outcome, and (3) complication rates. Materials/Methods. In this retrospective cohort study, 28 patients&nbsp;(61±13 years; 64% female), who underwent ACCF with the novel expandable PEEK-VBR ECD cage (Fig1) for metastatic, traumatic or degenerative disease between 2011 and 2020, were included. Median follow-up was 1.0 [0.6; 1.8] years with a minimum follow-up of 6 months. Correction of the bisegmental kyphotic angle (BKA) was defined as the primary outcome. Bony fusion, loss of device height, and implant subsidence were evaluated additionally. Clinical outcome was evaluated using Odom's criteria, numerical pain rating scale (NRS), ASIA Impairment Scale (AISA), and Karnofsky Performance Status Scale (KPSS). Parameters were analyzed preoperatively, directly postoperatively, six weeks-, six months postoperatively as well as at final follow-up. Results. Directly postoperatively, BKA was improved by mean 13.5±9.7 degrees compared to preoperatively (p&lt;0.0001). At final follow-up, mean correction remained at 12.3±9.6 degrees compared to preoperatively (p=0.0002). At the last follow-up, no loss of device height (p=0.96) nor implant subsidence occurred compared to directly postoperatively (p=0.99). Bony fusion was observed in all patients with Grade I in 53% and Grade II in 47% according to Eck's Criteria. Clinical outcome (Fig2) - Odom's criteria, pain and AISA- showed favorable improvement at final follow-up compared to the preoperative state (p=0.07). In patients suffering from tumorous disease, KPSS improved significantly to mean 62±10 directly postoperatively compared to preoperatively (p=0.0009) and showed no significant decrease at final follow-up compared to directly postoperatively (p=0.3). Four patients underwent secondary posterior stabilization. In one case, the ECD had to be explanted due to a major surgical site infection after an incidental esophageal lesion. Discussion. This is the first study analyzing the radiologic and clinical outcome of the ECD PEEK cage in the cervical spine. The study revealed that the ECD restored and maintained the anterior vertebral column in the cervical spine in patients with metastatic, traumatic, and degenerative diseases. The rate and degree of complications did not exceed these in other surgical treatment modalities for these pathologies. Thus, the ECD PEEK cage is a safe and efficient therapy option for anterior vertebral column reconstruction.

Wiederherstellung der anterioren zervikalen Säule mittels neuem expandierbaren PEEK-ECD Cage – Sicherheit und Effektivität

In vitro 3D-Mikrogewebemodell des degenerativen Nucleus Pulposus zur Bewertung der Präkonditionierung von nasalen Chondrosphären für die Regeneration der Bandscheibe

Abstract-Text deutsch Einleitung Zellbasierte Bandscheibentherapien sind nicht erfolgreich, weil die Degeneration der Bandscheibe die ohnehin schon harsche Mikroumgebung für das Überleben der Zellen noch schwieriger gestaltet. Bisher wurde noch kein zufriedenstellendes In-vitro-System entwickelt, das degenerative Bandscheibenerkrankung (DDD) simuliert, um Behandlungsstrategien der Bandscheibendegeneration mit Zellen zu untersuchen. Ziel dieser Studie ist (i) ein 3D degeneratives Nucleus-Pulposus-Mikrogewebe (NP µT) Modell zu entwickeln und (ii) die Reaktion von Sphäroiden, die mit nasalen Chondrozyten (NCS) gebildet wurden, in diesem Modell zu untersuchen. Es wurden ebenfalls von der FDA zugelassene Medikamente, die das Potenzial haben, die Leistung der NCS in der DDD-Mikroumgebung zu steigern, getestet. Material/Methode NPµT wurde durch das Poolen von NP-Sphäroiden (NPS; 25'000 Zellen/Sphäroid) mit oder ohne NCS (12'500 Zellen/Sphäroid) erzeugt. NPµT (+NCS) wurde 2 Wochen lang unter DDD-ähnlichen Bedingungen (Entzündung, Hypoxie, Übersäuerung, geringe Glukose) kultiviert. Die Präkonditionierung der NC-Zellen wurde erst in 2D- und dann in 3D-Kulturen durchgeführt. NCs wurden in 2D-Kultur mit Amilorid, Metformin, Celecoxib, IL1-Ra und GDF-5 präkonditioniert (3 Stunden) und für 24 Stunden unter DDD-ähnlichen Bedingungen kultiviert. Für die 3D-Kultur wurden die NCS während ihrer Bildung mit GDF-5, IL-1Ra oder einer Kombination davon präkonditioniert (3 Tage) und 7 Tage lang unter DDD-ähnlichen Bedingungen kultiviert. Histologische und biochemische Analysen wurden durchgeführt, um die ECM-Akkumulation in dem µT zu untersuchen. Ein ELISA-Test (IL-8) wurde durchgeführt, um die katabole Verschiebung innerhalb des µT zu beurteilen. Nach NC- und NCS-Präkonditionierung wurde die relative Genexpression von anabolen und katabolen Markern analysiert (n=3-5). Ergebnisse&nbsp;NPµT, die unter degenerativen Bedingungen gebildet wurden, akkumulierten signifikant weniger Proteoglykane/Kollagene und erfuhren eine katabole Verschiebung im Vergleich zur gesunden Kontrolle. NCS akkumulierten teilweise ECM im harschen DDD-Mikromilieu. Die IL-1Ra-Präkonditionierung reduzierte die Expression von Abbau- und Entzündungsmarkern (MMP-3 und IL-8) in NCS, die unter DDD-ähnlichen Bedingungen kultiviert wurden. GDF-5 erhöhte die ACAN-Expression in der 2D-Kultur signifikant, aber nicht die Expression von anabolen Genen in NCS. Amilorid, Metformin und Celecoxib haben die Entzündung nicht reduziert. Diskussion Das 3D-Modell des degenerativen NPµT ermöglicht es den NP-Zellen, sich in eine sphäroidale Organisation zu re-differenzieren, zellproduzierte Matrix zu akkumulieren und eine in vitro DDD-Mikroumgebung zu schaffen. Die NCS produzieren teilweise ECM-Komponenten im degenerativen NPµT-Modell. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Präkonditionierung der NCS für die Erhöhung der ECM-Akkumulation in der DDD-Mikroumgebung wesentlich ist, IL-1Ra scheint ein vielversprechender Kandidat zu sein.Abstract-Text englisch Introduction&nbsp;Cell-based intervertebral disc (IVD) therapies are not successful because the degeneration of the IVD makes the already harsh microenvironment more hostile for cell survival. No satisfying in vitro system simulating the degenerative disc disease (DDD) has been engineered yet to study IVD cell treatment strategies. Therefore, the aim of this study is (i) to develop a 3D degenerative nucleus pulposus micro-tissue (NP µT) model and (ii) to investigate the reaction of spheroids formed with nasal chondrocytes (NCS) within the model. FDA approved drugs with the potential to increase NCS performance within the DDD microenvironment were also tested. Material/Methods&nbsp;NPµT was generated by pooling NP spheroids (NPS; 25&quot;000 cells/spheroid) with or without NCS (12&quot;500 cells/spheroid). NPµT (+NCS) was cultured for 2 weeks in DDD-mimicking (inflammation, hypoxia, acidity, low glucose) condition.&nbsp;Preconditioning of the NC cells were performed first in 2D and then in 3D cultures. NCs were preconditioned (3 hours) in 2D culture with Amiloride, Metformin, Celecoxib, IL1-Ra, and GDF-5 and cultured for 24h in DDD-mimicking condition. For 3D culture, NCS were preconditioned (3 days) during its formation time with GDF-5, IL-1Ra, or combined and cultured for 7 days in DDD mimicking condition. Histological and biochemical analysis were performed to investigate ECM accumulation in the µT. ELISA (IL-8) was performed to assess the catabolic shift taking place within the µT. After NC and NCS preconditioning the relative gene expression of anabolic and catabolic markers was analysed (n=3-5). Results&nbsp;NPµT formed in degenerated conditions accumulated significantly less proteoglycans/collagens and experienced catabolic shift compared to healthy control. NCS partially accumulated proteoglycans and collagens within the harsh DDD micromilieu. IL-1Ra- preconditioning downregulated the expression of catabolic and inflammatory markers (MMP-3 and IL-8) in NCS cultured within DDD-mimicking condition. GDF-5 significantly increased ACAN expression in 2D culture of NCs but did not upregulate the expression of anabolic genes in 3D cultured NCS. Amiloride, Metformin, and Celecoxib did not reduce inflammation. Discussion&nbsp;The 3D degenerative NPµT model allows the NP cells to re-differentiate in spheroidal organization, to accumulate cell-produced matrix and to create an in vitro DDD microenvironment. NCS are partially producing ECM components within the degenerative NPµT model. Our results suggest that NCS preconditioning is essential for increasing ECM accumulation within DDD, with IL-1Ra as promising candidate.

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